MIRACLE II 是由維爾納·西門子基金會資助的 MIRACLE 項目的第二階段。MIRACLE 是“微創機器人輔助計算機引導激光切骨術”的英文縮寫，即一款可在虛擬現實環境下完成規劃與監控的模塊化微創激光骨切除機器人。該系統的機器人執行模塊由巴塞爾大學的 Georg Rauter 教授及其團隊依托倍?？刂萍夹g、特別是 TwinCAT 3 Target for Simulink? 開發而成。

MIRACLE II 項目落地與巴塞爾大學醫學院生物醫學工程系（DBE）?！皝碜杂嬎銠C科學、工程學、機器人學、激光物理學、外科學等多領域的研究人員匯聚于此，攜手將骨科手術帶進太空時代?！盌BE 生物啟發醫學機器人實驗室（BIROMED Lab）主任 Georg Rauter 教授表示。?相應的微型機器人將以前所未有的精度，為在治療現場直接制備的定制化生物墨水植入物執行功能性切割操作?。

為保障手術精準開展，柔性螺旋主軸可讓這款微型機器人通過 WLAN 在人體內實現高精度移動

基于 PC 的控制技術作為技術支撐

作為研究工作的一部分，機器人專家 Georg Rauter 教授自 2008 年起便一直采用倍?；?PC 的控制技術開展相關研發工作?。他這樣描述當時的出發點：“彼時，我們需要一套通信方案，來適配分布在大范圍區域內的數百個組件。此外，絕大多數測量卡都基于 PCI 總線或 PCI Express 總線。為了規避接口數量增加、信號線纜長度過長帶來的日益突出的難題，我們在尋找總線型系統的過程中，最終選定 EtherCAT 作為適配方案，也因此找到了倍福作為配套控制技術的供應商?！?/p>

在攻讀博士學位期間，Rauter 在該領域的研究始于瑞士蘇黎世聯邦理工學院，他基于繩驅機器人開發了一款賽艇模擬器。該方案的核心是對兩臺各配備五套傳動系統的繩驅并聯機器人實現同步控制。?該賽艇模擬器的目標是通過提供關于動作執行的個性化多模態反饋，借助智能算法指導人們完成自主運動。Georg Rauter 教授解釋道：“?該研究旨在探究健康人群復雜動作中的運動學習機制。安全性是這款模擬器的核心要素，因為賽艇運動可產生極大的作用力 — 例如船槳入水時的作用力 — 而模擬器必須能夠精準復現這類力。?安全功能最初是通過獨立的安全控制器實現的。借助 TwinCAT 3 我們如今采用系統集成式 TwinSAFE 安全解決方案，例如，該技術還能實現與人機界面的無縫集成。?TwinCAT 3 的另一項優勢在于，我們可以沿用熟悉的工作流程。這讓我們既能繼續使用圖形化編程界面，也能通過 MATLAB? 和 Simulink? 完成編程操作。我是 TwinCAT 3 Target for Simulink? 工作流程的忠粉，它可以生成能直接集成至 TwinCAT 的 C++ 項目，編譯后即可輸出適配的設備代碼。?此外，TwinCAT 的工作流程也讓碩士研究生和新員工受益良多：我們每年都會開設一門相關模塊化課程，此前在巴塞爾舉辦兩場，如今由于課程廣受歡迎，也會在因斯布魯克增設一場。我們還會在各類大會上舉辦專題研討會。原則上，這些課程也向對 MATLAB? 和Simulink? 在 TwinCAT 3 中的落地應用抱有明確興趣的工業界參與者開放。”

外科手上機器人領域的落地應用

作為 MIRACLE II 項目的一部分，Georg Rauter 教授其機器人技術專業知識與基于 PC 的控制經驗應用到了外科手術機器人領域。該項目聚焦經典骨科應用場景：在微創手術中，借助內窺鏡將激光通過小切口送入體內，精準操控骨骼或改變其幾何形態，進而調整骨骼穩定性?，F有已完成的研究正進一步拓展至軟骨再生醫學領域。后續研究的核心平臺是一款微型機器人，它已在 2025 年日本大阪世博會等多場活動中亮相，可通過膝關節的具體應用場景（激光截骨術或軟骨再生醫學）展示跨學科協作的成果。

例如，這款微型機器人可直接固定在膝關節組織的手術位點上開展作業

Georg Rauter 教授進一步解釋道：“并聯機器人與激光技術的融合，是我們在巴塞爾的核心研究方向，其微型化尺寸在業內也屬獨有。當前的外科手術機器人采用固定在地面的大型設備，搭配尺寸龐大的運動鏈，要實現足夠的精度，其穩定控制的難度極高。而我們的微型機器人則直接在人體組織上實現局部支撐，同時將激光導入該區域，激光本身不會產生交互作用力。這意味著該系統無需補償干擾力，就能實現極高的定位精度。所需的扭矩通過柔性主軸從外部施加。所需的扭矩通過柔性主軸從外部輸入，整體設計讓設備的占用面積極小，橫截面僅為? 7.5 x 7.5毫米?！?/p>

所需高性能技術

并聯傳動系統的同步運行對控制性能有著極高要求，倍福的 TwinCAT 軟件、 CX2043 嵌入式控制器，以及 EtherCAT 和 TwinSAFE 端子模塊可精準滿足這一核心需求。該技術讓平面系統能夠可靠利用三大平面自由度：前后移動、橫向移動與旋轉運動。整套系統共搭載 4 臺支持 EtherCAT 和 FSoE 協議的小型伺服電機（含冗余配置），通過柔性螺旋主軸將機器人移動至目標位置。Georg Rauter 教授這樣描述這套控制系統的獨特之處：“得益于冗余驅動設計，控制系統無需求解線性方程組，而是通過求解實時優化問題，不僅能迭代輸出最優結果，還可實現每毫秒多次運算，持續逼近最佳控制效果?！?/p>

Georg Rauter 教授指出，TwinCAT 的強大功能得到了充分應用：“TwinCAT HMI 就是一個特別典型的例子，其跨多邏輯層級的數據交互能力尤為出色：可實現從 C++ 程序、PLC、硬件層，直至安全功能層的數據無縫互通。此外，我們的運動學模型可以便捷集成到 TwinCAT 中，還能通過 ADS 協議輕松對接第三方組件，比如基于機器學習的視覺模塊。TwinCAT 與 EtherCAT 的開放性和靈活性，很大程度上得益于它們的廣泛普及，這也讓適配各類需求的接口組件都能輕松獲取。

緊密協作帶來的多重收益

Georg Rauter 教授表示，巴塞爾大學開展的相關研究，也從與倍福瑞士分公司的緊密合作中獲益良多。其中，針對專項咨詢的快速響應能力、支持短期硬件測試的便利條件，是合作中尤為突出的兩大優勢。他舉例說明，雙方曾在一整年的周期內，完成了 XPlanar 智能輸送系統的應用潛力驗證測試；除此之外，該系提出的各類控制技術自主研發提案，也都能獲得開放的傾聽與專業評審。